FR2974466A1

FR2974466A1 - Procede de commande d'un moteur electrique et dispositif electrique correspondant

Info

Publication number: FR2974466A1
Application number: FR1153385A
Authority: FR
Inventors: Antoine Bruyere
Original assignee: Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Current assignee: Valeo eAutomotive France SAS
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-10-26
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: WO2012143643A1; FR2974466B1

Abstract

Ce procédé de commande d'un moteur électrique à courant alternatif polyphasé à phases indépendantes comprenant une étape de compensation d'au moins une perturbation d'un couple du moteur est caractérisé en ce que l'étape de compensation comprend l'injection (106) d'un courant homopolaire (i ) dans le moteur.

Description

CFR0438 1 Procédé de commande d'un moteur électrique et dispositif électrique correspondant La présente invention concerne un procédé de commande d'un moteur électrique.

Elle concerne également un dispositif électrique correspondant. Plus particulièrement, l'invention concerne le domaine des moteurs électriques à courant alternatif utilisés notamment dans les véhicules automobiles électriques. Un véhicule électrique est équipé de batteries haute tension délivrant un courant continu à un onduleur qui transforme ce courant continu en un courant alternatif permettant d'alimenter un moteur électrique, ce dernier assurant la mise en mouvement du véhicule. Lors de l'alimentation du moteur, des perturbations de couple du moteur peuvent apparaître. Ces perturbations comprennent principalement des pulsations de couple dues notamment au couple réluctant de saillance et aux harmoniques de rang 5 de la force électromotrice du moteur, dans le cas d'un moteur triphasé. Ces pulsations de couple génèrent du bruit dans le véhicule. Elles peuvent également entraîner une usure mécanique du moteur et une dégradation de la commande du moteur. Pour réduire ces pulsations de couple, les constructeurs de moteurs cherchent généralement à éliminer les harmoniques d'ordre 5 de la force électromotrice et/ou le couple réluctant de saillance. Cependant, la conception de tels moteurs ne possédant pas les défauts précités est très coûteuse. La présente invention vise à améliorer la situation.

A cet effet, l'invention concerne tout d'abord un procédé de commande d'un moteur électrique à courant alternatif polyphasé à phases indépendantes, ledit procédé comprenant une étape de compensation d'au moins une perturbation d'un couple du moteur, caractérisé en ce que l'étape de compensation comprend l'injection d'un courant homopolaire dans le moteur.

Dans un moteur électrique à phases indépendantes, le courant circulant dans un bobinage d'une phase quelconque du moteur est indépendant du courant circulant dans les bobinages des autres phases.

CFR0438 2 A titre d'exemple, un moteur triphasé à phases indépendantes ne présente pas de couplage en étoile ni en triangle. Le courant homopolaire (également appelé « zero-sequence current » en anglais) est égal à la moyenne des courants circulant dans les phases du moteur.

De manière remarquable, la présente invention utilise ce courant homopolaire, généralement considéré comme une perturbation que l'on cherche à supprimer, pour compenser les perturbations de couple du moteur. La solution de l'invention, intervenant au niveau de la commande du moteur électrique, est moins coûteuse que les solutions antérieures, intervenant au niveau de la conception du moteur. Avantageusement, le procédé comprend une étape de détection de la perturbation du couple, à courant homopolaire nul. Selon une réalisation, le procédé comprend une étape de détermination d'un couple consigne visant à atténuer la perturbation du couple.

De préférence, le procédé comprend une étape de décomposition du couple consigne en un couple homopolaire et un couple principal. Avantageusement, le procédé comprend une étape de régulation en boucle fermée du courant homopolaire. Encore avantageusement, l'étape de compensation d'au moins une perturbation du couple est une étape de compensation d'au moins une pulsation du couple. Selon une réalisation préférée, la pulsation du couple est générée lors d'une alimentation en courant du moteur. Avantageusement, le moteur est triphasé et la pulsation du couple compensée correspond à au moins un harmonique de rang multiple de 3 dudit couple.

De préférence, la pulsation du couple compensée correspond à un harmonique de rang 6. Plus précisément, l'harmonique de rang 6 du couple est compensé grâce à l'interaction entre le courant homopolaire injecté et l'harmonique de rang 3 de la force électromotrice du moteur, le courant homopolaire correspondant à un harmonique de rang 3 du courant d'alimentation dans un moteur triphasé. Selon une réalisation, le procédé comprend une étape de détermination d'un risque de mise en résonance de la pulsation du couple et/ou de dépassement d'un seuil CFR0438 3 de bruit, par rapport au bruit ambiant, généré par ladite pulsation du couple. Dans le procédé selon cette réalisation, ladite étape d'injection d'un courant homopolaire a lieu en cas d'apparition dudit risque. L'invention concerne également un dispositif électrique comprenant un moteur à courant alternatif polyphasé à phases indépendantes et un système de commande du moteur, ledit système de commande comprenant des moyens de compensation d'au moins une perturbation d'un couple du moteur, caractérisé en ce que les moyens de compensation comprennent des moyens d'injection d'un courant homopolaire dans le moteur.

Avantageusement, le système de commande comprend une batterie et un onduleur. L'onduleur transforme le courant continu délivré par la batterie pour alimenter le moteur. De préférence, l'onduleur comprend au moins une structure de pont en H pour chaque phase du moteur. L'utilisation d'un pont en H par rapport à un pont triphasé classique permet une plus grande liberté de commande du moteur. Avantageusement, le dispositif comprend un convertisseur continu-continu entre la batterie et l'onduleur.

Ce convertisseur continu-continu assure l'adaptation du niveau de tension à celui de la batterie. Des modes de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits de façon plus précise, mais non limitative, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma représentant un dispositif électrique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre la structure d'un moteur triphasé à phases indépendantes ; - la figure 3 illustre les pulsations de couple apparaissant lors d'une alimentation en courant du moteur de la figure 2 ; - la figure 4 illustre la compensation des pulsations de couple par injection d'un courant homopolaire selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 5 est un schéma illustrant la structure et le fonctionnement du procédé de commande selon un mode de réalisation de l'invention.

CFR0438 4 La figure 1 représente un dispositif électrique 2 selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 2 comprend un moteur à courant alternatif triphasé 4 comprenant 3 phases U, V, W indépendantes, c'est-à-dire non couplées électriquement.

Le dispositif 2 comprend également un onduleur 6 comprenant 3 ponts en H 8, 10, 12 alimentant respectivement les phases U, V, W du moteur 4 à partir d'une batterie 14. Le dispositif 2 est prévu pour fonctionner, par exemple, selon deux modes : - un mode d'alimentation dans lequel il assure l'alimentation en courant alternatif du moteur 4 à partir de la batterie 14 en passant par l'onduleur 6 ; - un mode de charge dans lequel il assure la charge de la batterie 14 à partir du réseau électrique raccordé sur une connectique 16 en employant les enroulements 18, 20, 22 du moteur 4 comme inductances. Chaque pont en H 8, 10, 12 comprend quatre commutateurs 24 répartis sur des bras référencés de A à F. A titre d'exemple, les commutateurs 24 sont formés d'un transistor et d'une diode montés en parallèle. Le fonctionnement de l'onduleur et/ou le passage du mode d'alimentation au mode de charge est géré par un circuit de commande 26 qui pilote notamment les commutateurs 24 des bras A à F. Les connexions entre le circuit de commande 26 et les commutateurs 24 ne sont pas représentés. Le dispositif 2 comprend également un convertisseur DC/DC 28 disposé entre l'alimentation 14 et l'onduleur 6. Il s'agit, notamment, d'un convertisseur permettant d'élever la tension fournie par la batterie 14. A titre d'exemple, le convertisseur DC-DC 28 comprend une inductance et deux commutateurs, chaque commutateur étant formé d'un transistor et d'une diode montés en parallèle. De préférence, un condensateur est raccordé entre le convertisseur DC/DC 28 et l'onduleur 6. Les enroulements 18, 20, 22 du moteur 4 (figure 2) sont alimentés avec des tensions uu, uv, uw, respectivement.

Sous l'effet de ces tensions d'alimentation et des forces électromotrices eu, ev, ew des trois phases U, V, W respectivement, des courants de phases iu, iv, iw apparaissent sur les trois phases U, V, W respectivement.

CFR0438 5 Dans la suite de la description, les notations suivantes seront utilisées : u- vvW iuv i_ lu \ i lvvW uv ev et evvW uW Le moteur 4 peut ainsi être modélisé selon la relation suivante : uuvw - = Riuvl,+ [L] didt + euvw où R est une résistance et [L] est une matrice d'inductances. Les grandeurs électriques de ce modèle ont une composante homopolaire correspondant à la composante commune partagée par les 3 phases U, V, W. La tension homopolaire est définie par uMO = (uu +uv +up )/ 3. La force électromotrice homopolaire est définie par eMO = (eu + ev + eW )/3 .

Le courant homopolaire est défini par iM0 = (iu + iv + iW )/ 3 . Le couple T du moteur 4 est donné par l'expression T =1/Si(euvw -luvw)' où Q désigne la vitesse de rotation du moteur. Ce couple T peut être décomposé en un couple homopolaire TMO et un couple principal TM1 : T = TMO +TM1 1/ç(eM0'lMO + eM1'lMl ).

Autrement dit, le moteur 4 est en quelque sorte décomposé en deux machines fictives MO et M1, MO étant la machine fictive homopolaire et M1 étant la machine fictive principale. Les deux machines fictives MO et M1 ont une même vitesse de rotation D. Cependant, chacune de ces deux machines est caractérisée par sa propre famille d'harmoniques comme décrit dans la Table I. Composante Rangs harmoniques Homopolaire (MO) 0, 3, 6, 9, 12, 15... Principale (M 1) 1, 2, 4, 5, 7, 8, 10, 11, 13... Table 1 CFR0438 6 Ainsi, la machine MO est affectée uniquement par des harmoniques de tension, de courant ou de force électromotrice de rang multiple de 3. La machine MI est affectée uniquement par des harmoniques de tension, de courant ou de force électromotrice de rang 1, 2, 4, 5, 7...

Dans le moteur 4, la machine MO produit un couple homopolaire, dit pulsant, lorsque eMO 0 et iM0 0 et la machine M1 produit un couple principal, constant ou constant et pulsant. De manière remarquable, la présente invention propose de contrôler le courant homopolaire 'MO pour compenser des pulsations de couple existantes, notamment lorsque le courant homopolaire est nul, c'est-à-dire des pulsations du couple principal. Dans le dispositif 2, le courant 'MO est contrôlable à n'importe quelle valeur. Le courant homopolaire créé peut être injecté dans les enroulements 18, 20, 22 des phases U, V, W du moteur 4. La figure 3 illustre un couple moteur subissant des pulsations (graphe de droite). Il peut s'agir des pulsations de couple apparaissant lors d'une alimentation en courant du moteur 4. Plus précisément, la figure 3 comprend trois graphes 3a, 3b, 3c sur lesquels sont respectivement représentées les formes d'onde de la force électromotrice, du courant et du couple du moteur 4.

Sur la partie 3a, la courbe en trait continu 40 représente la force électromotrice eu, la courbe en trait discontinu 42 représente la force électromotrice ev, et la courbe en pointillés 44 représente la force électromotrice ew. Ainsi qu'il apparaît sur ces courbes 40, 42, 44, la force électromotrice du moteur 4 n'est pas sinusoïdale et présente des harmoniques de rang supérieur à 1, notamment des harmoniques de rang 3 et de rang 5, provenant de la stucture de la machine électrique notamment de ses enroulements. Sur la partie 3b, la courbe en trait continu 46 représente le courant iu, la courbe en trait discontinu 48 représente le courant iv, et la courbe en pointillés 50 représente le courant iW.

Ainsi qu'il apparaît sur ces courbes 46, 48, 50, le courant d'alimentation du moteur 4 est ici sinusoïdal. Il présente uniquement un fondamental, c'est à dire un harmonique de rang 1. Ce courant ne contient pas de composante homopolaire.

CFR0438 7 La courbe 52 de la partie 3c représente le couple résultant. Ce couple présente des pulsations autour de sa valeur moyenne. Dans cet exemple, ces pulsations de couple correspondent à des harmoniques de rang 6 résultant de l'interaction entre le fondamental du courant et l'harmonique de rang 5 de la force électromotrice alors que la valeur moyenne du couple est obtenue par l'interaction du fondamental du courant et du fondamental de la force électromotrice. En outre, il est remarquable qu'il n'y ait aucune interaction entre le courant sinusoïdal et l'harmonique de rang 3 de la force électromotrice. Ainsi, l'harmonique de rang 3 de la force électromotrice n'a aucun effet sur le couple lorsqu'un courant dépourvu de composante homopolaire alimente le moteur. La figure 4 illustre la compensation des pulsations de couple par injection d'un courant homopolaire, selon l'invention. Plus précisément, la figure 4 comprend trois parties 4a, 4b, 4c sur lesquelles sont représentées les formes d'onde respectivement de la force électromotrice, du courant et du couple du moteur 4. Sur la partie 4a, la courbe en trait continu 60 représente la force électromotrice eu, la courbe en trait discontinu 62 représente la force électromotrice ev, et la courbe en pointillés 64 représente la force électromotrice ew. La force électromotrice étant une grandeur intrinsèque du moteur 4, les courbes 60, 62, 64 sont respectivement identiques aux courbes 40, 42, 44. Sur la partie 4b, la courbe en trait continu 66 représente le courant iu, la courbe en trait discontinu 68 représente le courant iv, et la courbe en pointillés 70 représente le courant iW. Ainsi qu'il apparaît sur ces courbes 66, 68, 70, un courant homopolaire a été ajouté au courant d'alimentation sinusoïdal de la figure 3. Ce courant homopolaire présente un harmonique de rang 3 qui appraît au niveau du courant d'alimentation total résultant. La courbe 72 de la partie 3c représente le couple résultant. De manière remarquable, grâce à l'injection d'un courant homopolaire, ce couple est quasiment constant. Il ne présente plus de pulsations autour de sa valeur moyenne. Dans cet exemple, les pulsations de couple correspondant à des harmoniques de rang 6 résultant de l'interaction entre le fondamental du courant et l'harmonique de rang CFR0438 8 de la force électromotrice sont compensées par l'interaction entre le courant homopolaire (harmonique de rang 3 du courant) avec l'harmonique de rang 3 de la force électromotrice. En outre, il est remarquable que la valeur moyenne du couple peut être 5 augmentée suite à l'injection du courant homopolaire. La suite de la description décrit, en référence à la figure 5, un exemple de commande du moteur 4 permettant de compenser les pulsations de couple en injectant un courant homopolaire adapté dans le moteur 4. Lors d'une étape préalable non représentée, une pulsation de couple est détectée à courant homopolaire nul. Une étape de détermination de la fréquence de la pulsation de couple pourra aussi être prévue, déterminant ou non la suite du processus. En particulier, le processus sera poursuivi si la pulsation présente une fréquence égale ou proche de celle d'un harmonique de rang mutiple de 3 du courant d'alimentation du moteur.

Lors d'une étape 80, un couple moteur consigne Tem , visant à atténuer la pulsation de couple détectée, est déterminé. Ce couple consigne est décomposé, à l'étape 82, en un couple homopolaire consigne TMO et un couple principal consigne TM1. A l'étape 84, un courant homopolaire consigne im* o est généré à partir du couple homopolaire TMO . A l'étape 86, un courant principal consigne iM1 est généré à partir du couple principal TM1. Ce courant principal se décompose, selon le formalisme de Park de "la machine dq", en deux composantes iM1d et iMlq . A l'étape 88, le courant homopolaire iMO est régulé en boucle fermée. Cette boucle de régulation comprend une étape 90 de génération d'une tension homopolaire consigne umo à partir d'une comparaison du courant homopolaire consigne imo et du courant homopolaire iMO correspondant à la composante homopolaire des courants circulant dans les phases du moteur. Une étape 92 de génération d'un courant homopolaire iM0 à partir de la tension homopolaire obtenue est également représentée.

CFR0438 9 A l'étape 94, la composante iMld du courant principal est régulée en boucle fermée. Cette boucle de régulation comprend une étape 96 de génération d'une composante uM1d de tension principale consigne à partir d'une comparaison de la composante iMld du courant principal consigne et de la composante iM1d du courant principal circulant dans les phases du moteur. Une étape 98 de génération d'une composante iMld du courant principal à partir de la composante UM1d de la tension principale obtenue est également représentée. A l'étape 100, la composante iMlq du courant principal est régulée en boucle fermée. Cette boucle de régulation comprend une étape 102 de génération d'une composante uMl9 de tension principale consigne à partir d'une comparaison de la composante iMl9 du courant principal et de la composante iMlq du courant principal circulant dans les phases du moteur. Une étape 104 de génération d'une composante iMlq du courant principal à partir de la composante ujiq de tension principale est également représentée.

Les étapes 92, 98, 104 correspondent à l'alimentation du moteur avec les tensions uu, u,,, u, correspondant aux tensions uMo, uM1d, uM1q provenant des consignes de tension. Pour le fonctionnement de la boucle de régulation, on pourra mesurer le courant dans chaque phase du moteur, en déduire le courant homopolaire iMO et/ou les composantes iM,d, iM,q du courant principal qui seront fournies à des comparateurs 110, 112, 114 de chacune des boucles. A l'étape 106, le courant homopolaire iMO est converti en un couple homopolaire TMO. A l'étape 108, les composantes iMld et i du courant principal sont converties en un couple principal TM1. Le couple résultant Tem , donné par l'expression Tem = TMO +TM1, est un couple dans lequel la pulsation a été compensé, au temps de réponse de la boucle de régulation près.

CFRO438 10 L'injection du courant calculé est effectuée, par exemple, par une commande adéquate des commutateurs 24 par le circuit de commande 26. Le circuit de commande 26 correspond alors à des moyens d'injection du courant homopolaire iMO . Si le fonctionnement du véhicule masque la perturbation de couple, l'injection de courant homopolaire peut être neutralisée. Ainsi, on pourra procéder à l'injection de courant homopolaire seulement en cas de détection d'un dépassement de seuil de bruit, par rapport au bruit ambiant au niveau du moteur. Bien que le mode de réalisation décrit concerne un moteur triphasé, l'invention s'applique avantageusement à tout moteur à N phases indépendantes. Dans ce cas, les rangs des pulsations de couple compensables par une injection de courant homopolaire dépendent de N.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de commande d'un moteur électrique (4) à courant alternatif polyphasé à phases indépendantes (U, V, W), ledit procédé comprenant une étape de compensation d'au moins une perturbation d'un couple du moteur (4), caractérisé en ce que l'étape de compensation comprend l'injection (106) d'un courant homopolaire (iM0) dans le moteur (4).
2. Procédé selon la revendication 1, comprenant une étape de détection de la perturbation du couple, à courant homopolaire nul.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant une étape de détermination (80) d'un couple consigne (Tém ) visant à atténuer la perturbation du couple.
4. Procédé selon la revendication 3, comprenant une étape de décomposition (82) du couple consigne (Tém) en un couple homopolaire (Tm%) et un couple principal (TM1).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape de régulation (88) en boucle fermée du courant homopolaire (iMo ).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de compensation d'au moins une perturbation du couple est une étape de compensation d'au moins une pulsation du couple. 25
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la pulsation du couple est générée lors d'une alimentation en courant du moteur (4).
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le moteur (4) est triphasé et la pulsation du couple compensée correspond à au moins un harmonique de rang multiple 30 de 3 dudit couple.20 CFR0438 12
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la pulsation du couple compensée correspond à un harmonique de rang 6.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, comprenant une étape de détermination d'un risque de mise en résonance de la pulsation du couple et/ou de dépassement d'un seuil de bruit, par rapport au bruit ambiant, généré par ladite pulsation du couple, et dans lequel ladite étape d'injection (106) d'un courant homopolaire (iMO) a lieu en cas d'apparition dudit risque.
11. Dispositif électrique (2) comprenant un moteur à courant alternatif (4) polyphasé à phases indépendantes (U, V, W) et un système de commande du moteur (4), ledit système de commande comprenant des moyens de compensation d'au moins une perturbation d'un couple du moteur (4), caractérisé en ce que les moyens de compensation comprennent des moyens d'injection (26) d'un courant homopolaire (iMo) dans le moteur (4).
12. Dispositif (2) selon la revendication 11, dans lequel le système de commande comprend une batterie (14) et un onduleur (6).
13. Dispositif (2) selon la revendication 12, dans lequel l'onduleur (6) comprend au moins une structure de pont en H (8, 10, 12) pour chaque phase (U, V, W) du moteur (4). 25
14. Dispositif (2) selon la revendication 12 ou 13, comprenant un convertisseur continu-continu (28) entre la batterie (14) et l'onduleur (6).20